固體廢棄物的微生物處理方案
固體廢棄物按其性狀可分為有機廢物和無機廢物或固體廢物和泥狀廢物；按其來源可分為礦業(yè)廢物、工業(yè)廢物、城市垃圾、污水處理廠污泥、農(nóng)業(yè)廢棄物和放射性廢物等。本節(jié)簡述城市垃圾、污水處理廠污泥和農(nóng)業(yè)廢棄物的微生物處理問題。
近年來，城市垃圾數(shù)量猛增，但幾乎95％的垃圾未經(jīng)處理，一般堆積于城郊或倒入江河。
我國城市污水處理廠每年產(chǎn)生的干污泥約20×104t，以濕污泥計約為380×104t～500×104t，并以每年20％的速度遞增，污泥中含有豐富的氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)。
農(nóng)業(yè)廢棄物主要包括作物桔桿、樹木莖葉、人畜糞便等等，主要指含有纖維素、半纖維素的廢棄物。
以上三大類固體廢棄物都含有大量的有機物，通過微生物的活動，可以使之穩(wěn)定化、無害化、減量化和資源化，其主要的處理方法有衛(wèi)生填埋、堆肥、沼氣發(fā)酵和纖維素廢物的糖化、蛋白質(zhì)化、產(chǎn)乙醇等等。
一、堆肥
堆肥化就是依靠自然界廣泛分布的細菌、放線菌、真菌等微生物，有控制地促進可被生物降解的有機物向穩(wěn)定的腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的生物化學(xué)過程。堆肥化的產(chǎn)物稱為堆肥。根據(jù)處理過程中起作用的微生物對氧氣要求的不同，堆肥可分為好氧堆肥法（高溫堆肥）和厭氧堆肥二種。
1．好氧堆肥法 好氧堆肥法是在有氧的條件下，通過好氧微生物的作用使有機廢棄物達到穩(wěn)定化、轉(zhuǎn)變?yōu)橛欣谧魑镂丈L的有機物的方法。堆肥的微生物學(xué)過程如下：
（1）發(fā)熱階段 堆肥堆制初期，主要由中溫好氧的細菌和真菌，利用堆肥中容易分解的有機物，如淀粉、糖類等迅速增殖，釋放出熱量，使堆肥溫度不斷升高。
（2）高溫階段 堆肥溫度上升到50℃以上，進入了高溫階段。由于溫度上升和易分解的物質(zhì)的減少，好熱性的纖維素分解菌逐漸代替了中溫微生物，這時堆肥中除殘留的或新形成的可溶性有機物繼續(xù)被分解轉(zhuǎn)化外，一些復(fù)雜的有機物如纖維素、半纖維素等也開始迅速分解。
由于各種好熱性微生物的最適溫度互不相同，因此隨著堆溫的變化，好熱性微生物的種類、數(shù)量也逐漸發(fā)生著變化。在50℃左右，主要是嗜熱性真菌和放線菌，如嗜熱真菌屬（Thermomyces）、嗜熱褐色放線菌（Actinomyces thermofuscus）、普通小單胞菌（Mi-cromonospora vulgaris）等。溫度升至60℃時，真菌幾乎完全停止活動，僅有嗜熱性放線菌與細菌在繼續(xù)活動，分解著有機物。溫度升至70℃時，大多數(shù)嗜熱性微生物已不適應(yīng)，相繼大量死亡，或進入休眠狀態(tài)。
高溫對于堆肥的快速腐熟起到重要作用，在此階段中堆肥內(nèi)開始了腐殖質(zhì)的形成過程，并開始出現(xiàn)能溶解于弱堿的黑色物質(zhì)。同時，高溫對于殺死病原性生物也是極其重要的，一般認為，堆溫在50℃～60℃，持續(xù)6d～7d，可達到較好的殺死蟲卵和病原菌的效果。
（3）降溫和腐熟保肥階段當高溫持續(xù)一段時間以后，易于分解或較易分解的有機物（包括纖維素等）已大部分分解，剩下的是木質(zhì)素等較難分解的有機物以及新形成的腐殖質(zhì)。這時，好熱性微生物活動減弱，產(chǎn)熱量減少，溫度逐漸下降，中溫性微生物又漸漸成為優(yōu)勢菌群，殘余物質(zhì)進一步分解，腐殖質(zhì)繼續(xù)不斷地積累，堆肥進入了腐熟階段。為了保存腐殖質(zhì)和氮素等植物養(yǎng)料，可采取壓實肥堆的措施，造成其厭氧狀態(tài)，使有機質(zhì)礦化作用減弱，以免損失肥效。
堆肥中微生物的種類和數(shù)量，往往因堆肥的原料來源不同而有很大不同。
對于農(nóng)業(yè)廢棄物，以一年生植物殘體為主要原料的堆肥中，常見到以下微生物相變化特征：細菌、真菌→纖維分解菌→放線菌→能分解木質(zhì)素的菌類。
在以城市污水處理廠剩余污泥為原料的堆肥中，可見如表7-2所示的微生物相變化。堆肥堆制前的脫水污泥中占優(yōu)勢的微生物為細菌，而真菌和放線菌較少。在細菌的組成中，一個顯著特征是厭氧菌和脫氮菌相當多，這與污泥含水量多、含易分解有機物多、呈厭氧狀態(tài)有關(guān)。
經(jīng) 30d堆制后（期間經(jīng)過65℃高溫，后又維持在50℃左右），細菌數(shù)有了減少，但好氧性細菌比原料污泥只是略有減少，仍保持著每克干物質(zhì)107個的數(shù)量級，厭氧性細菌比原料污泥減少了大約100倍，真菌數(shù)量并沒有明顯增長，氨化細菌和脫氮菌卻有明顯的增加，說明堆肥中發(fā)生著硝化和反硝化過程，這與堆肥污泥中既存在著適于硝化細菌活動的有氧微環(huán)境，也存在著適于脫氮菌活動的無氧微環(huán)境有關(guān)。
堆制到60d，可見各類微生物的數(shù)量都下降了，但此時，好氧性細菌仍然占優(yōu)勢，真菌和放線菌較少。從以上分析中可知，剩余污泥堆肥中一般都是細菌占優(yōu)勢。
城市垃圾的堆肥中，與污泥堆肥一樣是細菌占優(yōu)勢，但與污泥堆肥相比放線菌更少。另外還出現(xiàn)在腐熟初期絲狀菌增加，隨后又減少的現(xiàn)象。由于對植物有害的微生物不少是絲狀菌，因此堆肥中絲狀菌的減少是很重要的。
好氧堆肥工藝主要包括堆肥預(yù)處理、一次發(fā)酵、二次發(fā)酵和后處理四個階段。堆肥工藝的主要參數(shù)為：一次發(fā)酵其含水率45％～60％，碳氮比30～35∶1，溫度55℃～65℃，周期3d～10d。二次發(fā)酵其含水率小于40％，溫度低于40℃，周期30d～40d。
2．厭氧堆肥法在不通氣的條件下，將有機廢棄物（包括城市垃圾、人畜糞便、植物秸桿、污水處理廠的剩余污泥等）進行厭氧發(fā)酵，制成有機肥料，使固體廢棄物無害化的過程。堆肥方式與好氧堆肥法相同，但堆內(nèi)不設(shè)通氣系統(tǒng)，堆溫低，腐熟及無害化所需時間較長。然而，厭氧堆肥法簡便、省工，在不急需用肥或勞力緊張的情況下可以采用。一般厭氧堆肥要求封堆后一個月左右翻堆一次，以利于微生物活動使堆料腐熟。
二、衛(wèi)生填埋
衛(wèi)生填埋法始于60年代，它是在傳統(tǒng)的堆放基礎(chǔ)上，從環(huán)境免受二次污染的角度出發(fā)而發(fā)展起來的一種較好的固體廢棄物處理法，其優(yōu)點是投資少，容量大，見效快，因此廣為各國采用。
衛(wèi)生填埋主要有厭氧、好氧和半好氧三種。目前因厭氧填埋操作簡單，施工費用低，同時還可回收甲烷氣體，而被廣泛采用。好氧和半好氧填埋分解速度快，垃圾穩(wěn)定化時間短，也日益受到各國的重視，但由于其工藝要求較復(fù)雜，費用較高，故尚處于研究階段。
衛(wèi)生填埋是將垃圾在填埋場內(nèi)分區(qū)分層進行填埋，每天運到填埋場的垃圾，在限定的范圍內(nèi)鋪散為40cm～75cm的薄層，然后壓實，一般垃圾層厚度應(yīng)為 2.5m～3m。一次性填埋處理垃圾層最大厚度為9m，每層垃圾壓實后必須覆土20cm～30cm。廢物層和土壤覆蓋層共同構(gòu)成一個單元，即填埋單元，一般一天的垃圾，當天壓實復(fù)土，成為一個填埋單元。具有同樣高度的一系列相互銜接的填埋單元構(gòu)成一個填埋層。完成的衛(wèi)生填埋場由一個或幾個填埋層組成。當填埋到最終的設(shè)計高度以后，再在該填埋層上層蓋一層90cm～120cm的土壤，壓實后就得到一個完整的衛(wèi)生填埋場。
（一）填埋坑中微生物的活動過程
1．好氧分解階段 隨著垃圾填埋，垃圾孔隙中存在著大量空氣也同樣被埋入其中，因此開始階段垃圾只是好氧分解，此階段時間的長短取決于分解速度，可以由幾天到幾個月。好氧分解將填埋層中氧耗盡以后進入第二階段。
2．厭氧分解不產(chǎn)甲烷階段在此階段，微生物利用硝酸根和硫酸根作為氧源，產(chǎn)生硫化物、氮氣和二氧化碳，硫酸鹽還原菌和反硝化細菌的繁殖速度大于產(chǎn)甲烷細菌。當還原狀態(tài)達到一定程度以后，才能產(chǎn)甲烷，還原狀態(tài)的建立與環(huán)境因素有關(guān)，潮濕而溫暖的填埋坑能迅速完成這一階段而進入下一階段。
3．厭氧分解產(chǎn)甲烷階段 此階段甲烷氣的產(chǎn)量逐漸增加，當坑內(nèi)溫度達到55℃左右時，便進入穩(wěn)定產(chǎn)氣階段。
4．穩(wěn)定產(chǎn)氣階段 此階段穩(wěn)定地產(chǎn)生二氧化碳和甲烷。
（二）填埋場滲瀝水
垃圾分解過程中產(chǎn)生的液體以及滲出的地下水和滲入的地表水，統(tǒng)稱為填埋場滲瀝水。滲瀝水的性質(zhì)主要取決于所埋垃圾的種類。滲瀝水的數(shù)量取決于填埋場滲瀝水的來源、填埋場的面積、垃圾狀況和下層土壤等等。
為了防止?jié)B瀝水對地下水的污染，需在填埋場底部構(gòu)筑不透水的防水層、集水管、集水井等設(shè)施將產(chǎn)生的滲瀝水不斷收集排出。對新產(chǎn)生的滲瀝水，最好的處理方法為厭氧、好氧生物處理；而對已穩(wěn)定的填埋場滲瀝水，由于已經(jīng)歷厭氧發(fā)酵，使其可生化的有機物的含量減少到最低點，再用生物處理其效果不明顯，最好采用物理化學(xué)處理方法。滲瀝水除采用傳統(tǒng)方法進行處理外，在旱季或干旱地區(qū)還可采用滲瀝水再循環(huán)的方法，用于噴灑灌溉、地面流水灌溉等方法，使?jié)B瀝水被蒸發(fā)或被植物吸收。滲瀝水再循環(huán)的優(yōu)點在于能加速垃圾穩(wěn)定作用和省略水處理系統(tǒng)。
（三）填埋場氣體收集
垃圾填埋以后，由于微生物的厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生甲烷、二氧化碳、氨、一氧化碳、氫氣、硫化氫、氮氣等氣體。填埋場的產(chǎn)氣量和成分與被分解的固體廢物的種類有關(guān)，并隨填埋年限而變化。由于填埋場中存在著許多不能控制因素，所以用各種方式進行估算的結(jié)果與實際情況偏離很大。填埋場產(chǎn)氣范圍每公斤揮發(fā)性有機固體約為 0.013m3～0.047m3。甲烷發(fā)酵最旺盛期間通常在填埋后的5年內(nèi)。填埋場氣體一般含有40％～50％的二氧化碳和30％～40％的甲烷，以及其他各種氣體。因此，填埋場的氣體經(jīng)過處理以后可以作為能源加于利用 三、厭氧發(fā)酵（消化）
不管是作物秸桿、樹干莖葉、人畜糞便、城市垃圾，還是污水處理廠的污泥，都是厭氧發(fā)酵的原料。在發(fā)酵過程中，廢物得到處理，同時獲得能源。在我國農(nóng)村，沼氣發(fā)酵不僅作為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)，處理各類廢棄物來制成農(nóng)家肥，而且獲得生物質(zhì)能用來照明或作為燃料。城市污水處理廠的污泥厭氧消化使污泥體積減少，產(chǎn)生的甲烷用來發(fā)電，降低處理廠的運行費用。
固體廢棄物的厭氧發(fā)酵（消化）過程影響因素如下：
1．有機物投入量在厭氧發(fā)酵罐（或稱為消化罐）中，從攪拌時液體的流動性，攪拌動力的關(guān)系考慮，發(fā)酵原料液的固形物濃度的極限約為是10％～12％，污水處理廠污泥是 2％～5％，家畜糞尿是2％～8％，其他有機廢水中的固形物濃度極限是8％。適宜的有機物投入量根據(jù)菌體的性質(zhì)、發(fā)酵溫度等決定。如對于單槽方式的發(fā)酵法，豬糞作為基質(zhì)時，中溫發(fā)酵的有機負荷是2kg（VS）／m3·d～3kg（VS）／m3·d，高溫發(fā)酵的有機負荷是 5kg（VS）／m3·d～6kg（VS）／m3·d，固形物中有機物含量通常是60％～80％，甲烷發(fā)酵后是35％～45％。
2．營養(yǎng) 為了使甲烷發(fā)酵順利進行，碳氮比和碳磷比是重要因素，產(chǎn)生甲烷的最佳碳氮比是12～16。
3．粒度 希望粒度小，因為發(fā)酵過程是在可溶性有機物中進行的。
4．發(fā)酵溫度 厭氧發(fā)酵分為中溫發(fā)酵和高溫發(fā)酵，中溫發(fā)酵控制在30℃～37℃，高溫發(fā)酵控制在50℃～58℃。
5．發(fā)酵槽的攪拌 為了使發(fā)酵槽內(nèi)充分混合并使浮渣充分破碎，在發(fā)酵罐內(nèi)必須進行適當?shù)臄嚢琛嚢璺绞接斜醚h(huán)、機械攪拌、浮渣破碎機、氣體攪拌等。
6．厭氧狀態(tài) 由于厭氧微生物對氧很敏感，因此發(fā)酵槽希望完全密閉。
7．加溫 由于厭氧發(fā)酵需要適宜溫度，因此必須加溫。雖然中溫和高溫發(fā)酵對有機物處理能力的比是1∶2.5～1∶3左右，但是發(fā)酵溫度要根據(jù)原料的特性、發(fā)酵裝置所在地區(qū)的氣溫、發(fā)酵槽的運行費用來決定。
8．平均滯留時間 厭氧發(fā)酵的基質(zhì)需要一定的平均滯留時間。如果平均滯留時間小于菌體的最小世代時間時，從發(fā)酵槽流出的菌體大于其繁殖速率，發(fā)酵就難于維持。
9．pH的影響 在產(chǎn)酸階段是兼性厭氧菌起作用，pH值的容許范圍是4.0～4.5。在兼性厭氧菌群和專性厭氧菌群共棲的系統(tǒng)，pH值在6.4～7.2范圍之內(nèi)。對于兩相式發(fā)酵的甲烷發(fā)酵槽中pH值在6.5～7.5之間最適宜。
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